变频器基本原理和作用

变频器基本原理和作用

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。

（一）变频调速的构成

要实现变频调速，必须有频率可调的交流电源，但电力系统却只能提供固定频率的交流电源，因此需要一套变频装置来完成变频的任务。历史上曾出现过旋转变频机组，但由于存在许多缺点而现在很少使用。现代的变频器都是由大功率电子器件构成的。相对于旋转变频机组，被称为静止式变频装置，是构成变频调速系统的中心环节。

一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电动机和控制电路3大部分组成。

静止式变频装置的输入是三相式单相恒频、恒压电源，输出则是频率和电压均可调的三相交流电。至于控制电路，变频调速系统要比直流调速系统和其他交流调速系统复杂得多，这是由于被控对象—感应电动机本身的电磁关系以及变频器的控制均较复杂所致。因此变频调速系统的控制任务大多是由微处理机承担。

（二）变频调速的基本要求

为了充分利用铁心材料，在设计电动机时，总是让电动机在额定频率和额定电压下工作时的气隙磁通接近磁饱和值。因此，在电动机调速时，希望保持每极磁通量为额定值不变。如果过分增大磁通又会使铁心过分饱和，从而导致励磁电流急剧增加，绕组过分发热，功率因数降低，严重时甚至会因绕组过热而损坏电动机。故而希望在频率变化时仍保持磁通恒定，即实现恒磁通变频调速，这样，调速时才能保持电动机的最大转矩不变。

（三）变频器的分类

1.按变换环节分:

(1)交-交变频器

把频率固定的交流电源直接变换成频率可调的交流电，又称直接式变频器。

(2)交-直-交变频器

先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的交流电，又称间接式变频器。

2.按电压的调制方式分:

(1)PAM(脉幅调制)变频器

输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。

(2)PWM(脉宽调制)变频器

输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。

目前普通应用的是占空比按正弦规律安排的正弦脉宽调制(SPWM)方式。

3.按直流环节的储能方式分（对交直交）:

(1)电流型

直流环节的储能元件是电感线圈LF

(2)电压型

直流环节的储能元件是电容器CF

三相交流异步电机的结构简单、坚固、运行可靠、价格低廉，在冶金、建材、矿ft、化工等重工业领域发挥着巨大作用。人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电机来代替直流电机，从而降低成本，提高运行的可靠性。如果实现交流调速，每台电机将节能20%以上，而且在恒转矩条件下，能降低轴上的输出功率，既提高了电机效率，又可获得节能效果。

异步电机调速系统的种类很多，但是效率很高、性能最好、应用最广的是变频调速，它

可以构成高动态性能的交流调速系统来，取代直流调速系统，是交流调速的主要发展方向。变频调速是以变频器向交流电机，供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电机的宽范围内无级调速。变频器可把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电。

随着电力电子技术的发展，出现了高耐压、大功率、具有自关断的全控型电力电子器件，它具有驱动功率小、开关频率高等特点，应用在逆变电路中可极大提高变频的性能。

脉宽调制（PWM)变频就是把通讯系统中的调制技术推广应用到交流变频中，可使变频器具有良好的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的性能。

采用全数字微机控制技术，使变频器减小了体积、降低了成本、提高了效率、增强了功能。

以上三种技术的应用，使电机基本能够平稳运行、无噪声、无抖动。交流变频调速已成为电气调速传动的主流。目前变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且已扩展到了工业生产的所有领域，以及空调器、洗衣机、电冰箱等家电中。

（一）变频器的功用

变频器的功用是将频率固定(通常为工频50HZ)的交流点(三相的或单相的)交换成频率

连续可调的三相交流电源。

如下图2.1所示，变频器的输入端(R,S,T)接至频率固定的三相交流电源，输出端(U,V,W)输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电机。

变频器作用概述

VVVF(VariationVoltageVariationFrequency)频率可变、电压可变。

（二）变频器主要功能

一、软启动马达

二、调频调压调电流

三、空（轻）载时能在维持转速的时候减少电流（节能）

变频器总体来说用在启动频繁的马达上，节能效果明显！

（三）变频器的核心是电力电子器件及控制方式

1.电力电子器件的发展

20世纪80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用第一代电力电子器件，以晶闸管元件为主，这种装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。

80年代中期以后采用第二代电力电子器件GTR.CTO,VDMOS-IGBT等制造的变频装置在性

能和价格比上可以与直流调速装置相媲美。

随着向大电流、高电压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是20世纪90年代制造变频装置的主流产品，中小功率的变频调速装置(1-1000kw)主要采用IGBT，大功率的变频调速装置(1000-10000kW)采用GTO器件。

20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，如高压IGBT,IGCT,IEGT,SGCT、智能功率模块IPM等。

2.控制方式

变频器用不同的控制方式，得到的调速性能、特性及用途是不同的。

控制方式大体分为开环控制及闭环控制。

开环控制有U/f电压与频率成正比的控制方式

闭环有转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。

现在矢量控制可以实现与直流机电枢电流控制相媲美，直接转矩控制直接取交流电动机参数进行控制，其方便准确精度高。